氫動力飛機載客起飛指日可待

美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的飛機高效電氣技術(shù)中心設(shè)計的概念飛機，展示了一種翼身融合的設(shè)計，其獨特的構(gòu)造增加了氫燃料裝載容量，且分布式推進系統(tǒng)與燃料電池兼容

隨著各國為實現(xiàn)“凈零碳經(jīng)濟”而努力，商業(yè)航空將成為最難脫碳的行業(yè)之一。持該論點的人士認為，化石燃料的能源密度優(yōu)勢實在難以戰(zhàn)勝，與其硬碰硬，不如繼續(xù)在客機中使用石油，并利用某些負碳排放技術(shù)來抵消其排放，可能更有意義。

盡管如此，關(guān)于低碳飛機推進力的研究仍在進行中。例如，一些較早采用低碳飛機推進力的航空公司通常將生物燃料混入其航空燃料中。2018年，波音公司的一架商業(yè)客機首次100%使用生物燃料飛行。但是，生物燃料有其自身的弊端：農(nóng)作物的生長、收割以及轉(zhuǎn)化為液體燃料需要消耗大量碳，并且生物燃料的應(yīng)用潛力受到農(nóng)業(yè)和其他競爭性土地用途的限制。

另一種選擇是氫動力飛行。為了實現(xiàn)碳中和，必須使用可再生能源或配備了碳捕獲和存儲功能的天然氣來生產(chǎn)氫氣。全球主要的兩家客機制造商不約而同都將最輕的元素作為減少客戶碳足跡的一種選擇。

空客公司美洲研究與技術(shù)副總裁阿曼達·辛普森（Amanda Simpson）表示，空客公司將在2025年之前決定市場是否能夠支持氫燃料客機。假設(shè)市場能支持，空客公司預(yù)計其首批氫燃料客機將于2035年投入使用。

波音公司在2008年制造并運營了首架僅靠氫動力飛行的飛機，在起飛和上升過程中，用鋰離子電池對單人飛機上的氫燃料電池進行了能量補充。4年后，波音公司推出了“幻影眼”，這是一款液氫動力無人機（UAV），設(shè)計目的是在20 000米的高空執(zhí)行最多長達4天的偵察任務(wù)。波音公司最終沒能將這款無人機出售給軍方，現(xiàn)在它已成為博物館的陳列品。

波音公司首席可持續(xù)發(fā)展官克里斯·雷蒙德（Chris Raymond）表示，波音公司正在研究商業(yè)航空用的氫燃料，但他指出，重點還在可持續(xù)航空燃料（SAF）?！艾F(xiàn)實是我們現(xiàn)在必須做點什么，但我們的觀點是把多種解決方案結(jié)合在一起。”氫動力更有可能填補航空業(yè)的短途飛行和規(guī)模較小的業(yè)務(wù)。

波音公司商用飛機部產(chǎn)品研發(fā)副總裁邁克·辛內(nèi)特（Mike Sinnett）表示，盡管波音公司已經(jīng)證明氫可以用作航空燃料，但仍需要付出更多的努力來確定飛機的結(jié)構(gòu)和燃料箱是否可以建造得像今天的客機一樣安全地運行。他估計，要在波音飛機中引入氫動力還需要20年甚至更長的時間。他說，現(xiàn)在正在設(shè)計為10年后的飛機提供動力的發(fā)動機。

ZeroAvia是一家位于美國加利福尼亞州的小型初創(chuàng)公司，目標(biāo)是到2023年制造出10～20座的氫燃料電池驅(qū)動的飛機。據(jù)其創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官瓦爾·米夫塔霍夫（Val Miftakhov）透露，ZeroAvia已從英國政府的3個項目中獲得了500萬美元資助，并吸引了英國、美國和歐盟的12家地區(qū)航空公司的關(guān)注。

重量和能量密度

氫動力飛行的最大障礙是燃料儲存所需的額外重量，無論燃料是氣體形式還是液體形式。對于液態(tài)氫，挑戰(zhàn)將是制造輕巧的真空隔熱燃料箱，將燃料溫度保持在20K的沸點以下。氣體的重量懲罰更大，因為裝載氣體的燃料箱須承受25到35 兆帕的高壓。

以每千克兆焦耳來衡量，液態(tài)氫的能量密度是航空燃料的2.8倍。但就燃料和燃料箱的總重量而言，美國阿貢國家實驗室（ANL）的氫和燃料電池研究人員拉杰什·阿盧瓦利亞（Rajesh Ahluwalia）估算，航空燃料更有優(yōu)勢，氫燃料和燃料箱的總重量是航空燃料和燃料箱的1.6倍。因為航空燃料約占燃料箱和燃料總重量的78%，而液態(tài)氫僅占當(dāng)前存儲設(shè)計總量的18%。阿盧瓦利亞指出，要與化石燃料競爭，氫燃料重量占總重量的比重必須達到28%以上。

與碳氫化合物相比，液態(tài)氫的單位體積能量要低得多。但是，美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（UIUC）受美國宇航局（NASA）資助的飛機高效電氣技術(shù)中心主任菲利普·安塞爾（Phillip Ansell）表示，可以通過精心定制飛機的其他部件來最大程度減少因容納更大的氫燃料箱所需增加的外部表面積，以及由此增加的空氣阻力。一種潛在的解決方案是翼身融合的設(shè)計。

ZeroAvia將在其計劃飛行約900公里或更短途的燃料電池飛機上使用壓縮至35兆帕的氫氣。阿盧瓦利亞認為，氣態(tài)氫作為無人機的燃料也可以找到一席之地。但是，對于載客150人乃至更多人的長途航班的大型客機而言，“氣態(tài)氫是行不通的?！卑踩麪枖嘌?。因為加壓存儲系統(tǒng)需要更為堅固的儲罐，并且所占據(jù)的空間大約是液態(tài)氫儲罐的兩倍。

到2030年，ZeroAvia預(yù)計將首次推出液態(tài)氫動力的50到100座的燃料電池飛機。氫儲罐將由已有的復(fù)合材料和樹脂組合制成。米夫塔霍夫指出，不需要研發(fā)新材料。ZeroAvia目前的氣態(tài)氫燃料與儲罐的重量比為11%～12%，他說，該公司目前正在測試燃料與儲罐的重量比大于50%的液態(tài)氫儲罐。

燃料電池還是燃燒？

亞音速噴氣客機（例如波音737）由渦輪風(fēng)扇提供動力，渦輪風(fēng)扇利用燃氣輪機產(chǎn)生的機械能通過涵道風(fēng)扇式螺旋槳向后加速空氣。目前的燃氣輪機只需進行很少的改動就可以燃燒氫氣。安塞爾描述說：“幾乎可以徑直將氫氣注入當(dāng)今的發(fā)動機中?！毙疗丈蛄藗€形象的比喻，這個轉(zhuǎn)換過程就像把一個燒丙烷的烤架改裝成燒天然氣。盡管氫不會產(chǎn)生二氧化碳或煤煙，但會產(chǎn)生污染物氮氧化物（由于空氣中存在氮）和水蒸氣。水蒸氣是一種溫室氣體，高海拔的水蒸氣在大氣中停留的時間比低海拔的地方長，會凝結(jié)成雨。

2020年9月，ZeroAvia在英國克蘭菲爾德進行了6座的燃料電池飛機首飛，并聲稱這是世界上最大的氫動力飛機

如果氫來自無碳源，則氫燃料質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池是無碳排放的，并且其廢水可以在排放前進行冷凝。但是，安塞爾說，PEM僅提供燃燒傳統(tǒng)燃料的現(xiàn)代燃氣輪機每單位重量3.7千瓦/千克功率的一半，不包括燃料或燃料箱的重量。不過，與15年前的0.3千瓦/千克相比，還是提高了一個數(shù)量級，并且很可能還會繼續(xù)改進。

阿盧瓦利亞說，為4～6座的飛機提供動力，當(dāng)今的PEM燃料電池應(yīng)該可與活塞式航空發(fā)動機競爭。但是，它們的能量重量比遠遠低于渦輪螺旋槳和渦輪機。

渦輪風(fēng)扇發(fā)動機的風(fēng)扇提供了發(fā)動機總推力的80%，其余部分則通過燃燒傳遞。有望研發(fā)能夠用電力為渦輪風(fēng)扇提供全部推力的燃料電池系統(tǒng)；或者，在飛機起飛和上升期間，可以用蓄電池電源為燃料電池補充能量。

美國能源部下屬的能源高級研究計劃署的電動飛行系統(tǒng)項目經(jīng)理戴夫·圖（Dave Tew）認為：“我們很可能永遠無法與燃氣輪機的特定功率競爭。“但是，燃料電池和電力驅(qū)動系統(tǒng)的效率有望提高到足以匹敵甚至超過渦輪機和燃料綜合起來的能量重量比。

空客公司推出了三款氫燃料客機的概念設(shè)計，可最多容納200名乘客，航程達3 700公里或更長。每款概念飛機都推薦由燃氣輪機和燃料電池驅(qū)動的電動機的混合動力系統(tǒng)提供動力。在渦輪電動構(gòu)造中，由氫燃料的燃氣輪機驅(qū)動發(fā)電機，再由電動機驅(qū)動風(fēng)扇。

辛普森說：“我們認為航程在1 600～3 200公里范圍內(nèi)將需要渦輪機，不過還需要進行更深入細致的探究。歐洲一些國家宣稱，將要求其境內(nèi)的飛機必須零碳排放。這些要求是否足以飛行像我們所說的那樣更大的飛機，還有待從我們客戶的利益出發(fā)進行考量?！?/p>

空客公司的三款概念性氫燃料客機都使用混合動力推進系統(tǒng)，既燃燒氫作為燃氣輪機的燃料，又使用氫燃料電池產(chǎn)生電能。渦輪螺旋槳飛機最多可搭載100名乘客，航程為1 850公里。其他兩款氫燃料概念飛機則最多可搭載200名乘客，航程為3 700公里

空客公司設(shè)想使用可再生能源而不是氫制成的合成燃料，為其未來的300～400座遠程客機提供動力。辛普森認為，盡管空客公司已經(jīng)熟悉氫在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，但要使氫燃料適應(yīng)于每天要多次耗盡和填充燃料的飛機，將是全新的挑戰(zhàn)。

加強研發(fā)

PEM燃料電池依靠液體電解質(zhì)使質(zhì)子在電極之間穿梭，而固體氧化物燃料電池（SOFC）則使用氧化物材料（通常是氧化釔穩(wěn)定氧化鋯）作為電解質(zhì)，通過燃料的氧化作用發(fā)電。燃料電池可由液態(tài)碳氫化合物或氨作為燃料。SOFC的效率要高于PEM，但是它們的重量要大得多，而且較重的碳氫化合物燃料（例如汽油或煤油）必須首先與蒸汽或空氣反應(yīng)形成更簡單的分子（例如氫和甲烷）。安塞爾認為，對于非常長距離的飛行，SOFC效率更高的優(yōu)點可以彌補其重量更大的缺點。

2020年8月，ARPA-E向6家公司提供了1 310萬美元的資助，用于研發(fā)不同的航空SOFC技術(shù)。戴夫指出，減輕重量是研發(fā)主攻的方向。美國能源部的其他項目支持PEM研究，因此ARPA-E的項目專門排除了PEM。

對于任何類型的燃料電池，高空熱管理都是一個問題，因為較低的空氣密度會削弱散熱能力，安塞爾指出，“問題就在于排熱效率，而SOFC實際上在這方面非常出色”。SOFC的工作溫度很高，大約為800℃，而PEM只有100℃，由于燃料電池與環(huán)境溫度之間的差異更大，實際上改善了散熱。而且，他說，可以用類似于汽車渦輪增壓器的方式，引導(dǎo)SOFC產(chǎn)生的廢熱來驅(qū)動燃氣輪機。

為了獲得氧氣，燃料電池需要足夠的氣流，這在高巡航高度下可能無法實現(xiàn)。通過壓縮空氣可以克服這個問題，縱然是以犧牲推進力可用的能量為代價。

氫燃料飛機需要達到與使用煤油燃料的飛機相同的安全性和完整性?！叭绾斡脷鋪矶杌剂舷?？”波音公司的辛內(nèi)特問道，他使用了“惰化”這個行業(yè)術(shù)語來指降低燃料箱的易燃性風(fēng)險，“如何為飛機加油？在加油過程中如何避免靜電？如何確保燃料箱的結(jié)構(gòu)完整性？如果可以找到這些問題的解決方案，那么下一步就是確定氫燃料飛機是否有效?！彼f，“從工程和技術(shù)的角度來看，幾乎任何事情都是可以實現(xiàn)的，但是必須要問結(jié)果是否切實可行?！弊詈螅w機必須按照特定的安全和規(guī)范標(biāo)準進行制造，而針對氫燃料飛機的這些規(guī)范標(biāo)準尚未建立。

基礎(chǔ)設(shè)施

沒有相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施是不可能采用氫燃料的。但是，相對而言，航空公司應(yīng)該沒有機動車主面臨的挑戰(zhàn)那么令人生畏。如果需求得到保證，可以在現(xiàn)場生產(chǎn)氫燃料，從而消除分銷成本。ZeroAvia計劃利用附近的可再生能源為電解槽供電來做到這一點。米夫塔霍夫說，ZeroAvia的計劃是，一個機場樞紐可以為飛機的多條往返航線提供加油服務(wù)，只要單程飛行距離不超過460公里即可，這適用于倫敦和巴黎之間或紐約和波士頓之間的航班。

米夫塔霍夫預(yù)測，燃料電池和電解槽的成本應(yīng)遵循與光伏電池類似的軌跡——過去10年來，光伏電池的成本下降了80%以上?！?年之內(nèi)，部分通過擴大消費規(guī)模，我們將實現(xiàn)氫燃料成本降低到現(xiàn)在的一半?！彼f。即使是小型機場也能每天生產(chǎn)和分配好幾噸氫燃料；相比之下，汽車加油站一般每天售出200千克的氫燃料。居高不下的航空運輸量將使加油站的氫燃料價格從沒有競爭力的每千克12～15美元的水平降下來，電解槽的效率也會持續(xù)顯著提高。

辛普森表示，如果空客公司決定繼續(xù)發(fā)展氫燃料，已經(jīng)有數(shù)個感興趣的相關(guān)方與空客公司接洽為機場提供燃料。國際能源署（IEA）預(yù)計，到2030年，歐洲的綠色氫能容量將達到40吉瓦，發(fā)展綠色能源是大勢所趨，我們預(yù)料世界其他地區(qū)也將不得不迎頭趕上。

資料來源 Physics Today